DE102018127719A1 - Kompensationsvorrichtung zur Kompensation thermischer Relativbewegungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung (1) für zwei miteinander verbundene Bauteile (2, 3), insbesondere einer Turbomaschine, wobei die Kompensationsvorrichtung (1) zur axialen und radialen Kompensation thermisch bedingter Ausdehnungen der beiden Bauteile zwischen den beiden Bauteilen (2, 3) angeordnet ist und einen zentralen Verbindungsabschnitt (20) aufweist, zur mechanischen Verbindung mit dem ersten Bauteil (2) und eine Mehrzahl an Anbindungsabschnitten (30) zur Verbindung mit dem zweiten Bauteil (3), die mit dem zentralen Verbindungsabschnitt (20) einstückig verbunden sind, wobei die Anbindungsabschnitte (30) zumindest teilweise in einer Axialrichtung (A) zu dem Verbindungsabschnitt (20) versetzt ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung für zwei miteinander verbundene oder zu verbindende Bauteile, insbesondere Bauteile einer Turbomaschine, wobei die Kompensationsvorrichtung zur axialen und radialen Kompensation thermisch bedingter Ausdehnungen der beiden Bauteile zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist.
  • Bei mechanischen Verbindungen von miteinander verbundenen Bauteilen einer sich insbesondere bewegenden und thermisch belastenden Vorrichtung, die unterschiedliche Ausdehnungen beim Betrieb der Vorrichtung zeigen, sei es, wegen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der betroffenen Bauteile und/oder wegen unterschiedlicher thermischer Belastungen, kommt es zu diversen Problemen betreffend der mechanischen Belastung der Verbindungsstellen sowie dem Schwingungsverhalten. Konventionelle Verbindungselemente ermöglichen zwar eine aus schwingungstechnischer Sicht steife Anbindung angrenzender Bauteile, sind aber zur Kompensation thermischer Verformungen regelmäßig nachteilhaft oder gar ungeeignet. Es entstehen durch das Auftreten von thermischen Dehnungen Verformungskräfte, die zum Versagen der Bauteile führen können.
  • Die Publikation DE 102012112432 A1 betrifft zum Beispiel eine Halterungsvorrichtung, insbesondere zur Befestigung eines Abgasturboladers an einem Verbrennungsmotor, mit einem ersten Halteelement, welches einem Verbrennungsmotor zugeordnet ist und einem zweiten Halteelement, welches einem Abgasturbolader zugeordnet ist.
  • Um den Abgasturbolader von den Erschütterungen des Verbrennungsmotors zu entkoppeln wird dieser oft über eine Halterungsvorrichtung am Motor fixiert. Eine solche Halterung kann dabei zur Kompensation dienen. Hierzu ist eine Vielzahl von Lösungen im Stand der Technik bekannt. Allerdings sind solche Halterungen in der Regel auf schwingungstechnische Optimierung ausgelegt, zeigen aber keine befriedigenden Eigenschaften zur Kompensation aufgrund thermischer Einflüsse. Ferner sind die im Stand der Technik bekannten Lösungen nicht in ihren Eigenschaften skalierbar, so dass eine Anpassung der Kompensationseigenschaften abhängig von den thermischen Randbedingungen auf einfache und kostengünstige Weise erfolgen kann.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine kostengünstig herstellbare, universell anpassbare Lösung bereit zu stellen, um zwei miteinander verbundene Bauteile, insbesondere zwei Bauteile einer Turbomaschine zufriedenstellend zu entkoppeln.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass eine flexible Kompensationsvorrichtung als Verbindungselement zwischen zwei Bauteile, die sich in ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten unterscheiden, angeordnet ist, wobei ein Merkmal des flexiblen Verbindungselements dessen spezifische Ausgestaltung ist, welche eine Art „Einstellbarkeit der Steifigkeit“ ermöglicht.
  • Hierzu ist vorgesehen, dass die flexible Kompensationsvorrichtung konstruktiv in einer ersten Montageebene ein erstes Verbindungselement und in einer zweiten Montageebene ein zweites Verbindungselement (bzw. eine Vielzahl solcher Verbindungselemente) bereit stellt, wobei die zweite Montageebene zur ersten Montageebene in einer Axialrichtung versetzt ist. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht die Kompensation von thermisch bedingten Ausdehnungen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung d. h. in zwei zueinander orthogonale Richtungen.
  • Erfindungsgemäß wird hierzu eine Kompensationsvorrichtung für zwei miteinander verbundene oder zu verbindende Bauteile, insbesondere Bauteile einer Turbomaschine bereit gestellt, wobei die Kompensationsvorrichtung zur axialen und radialen Kompensation thermisch bedingter Ausdehnungen der beiden Bauteile zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist und einen zentralen Verbindungsabschnitt, zur mechanischen Verbindung mit dem ersten Bauteil und eine Mehrzahl an Anbindungsabschnitten zur Verbindung mit dem zweiten Bauteil aufweist, die mit dem zentralen Verbindungsabschnitt einteilig ausgebildet sind, wobei die Anbindungsabschnitte zumindest teilweise in einer Axialrichtung zu dem Verbindungsabschnitt versetzt angeordnet sind.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zentrale Verbindungsabschnitt eine Mehrzahl an Verbindungselementen aufweist, um das erste Bauteil mittels Verbindungsmittel oder Schrauben an diesem zu verbinden.
  • In einer für Turbomaschinen vorteilhaften Ausgestaltung zur Kompensation zwischen einem Berstschutz der Turbomaschine und einem Turbinenzuströmgehäuse, ist vorgesehen, dass der zentrale Verbindungsabschnitt als ein scheibenförmiger Ringabschnitt oder ein Ringscheibenelement ausgebildet ist.
  • Weiter vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Verbindungselemente als Öffnungen oder Löcher in dem zentralen Verbindungsabschnitt ausgebildet sind, um mittels herkömmlicher Verbindungsmittel, wie zum Beispiel Schrauben, eine Verbindung zum ersten Bauteil bzw. zum Turbinenzuströmgehäuse zu realisieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass die Anbindungsabschnitte der Kompensationsvorrichtung jeweils am Ende von zumindest über eine Stufe oder Schräge oder Abkantung umgebogene oder zweifach abgekantete Haltearme ausgebildet sind. Durch eine solche Ausgestaltung lassen sich umlaufend eine Vielzahl von Haltelaschen zur Befestigung des zweiten Bauteils bzw. des Berstschutzes realisieren.
  • Die axiale Steifigkeit der Kompensationsvorrichtung wird durch die Anzahl der Haltearme bzw. Laschen, deren Länge, der Materialdicke und der Haltearmbreite eingestellt. Die radiale Steifigkeit wird neben der Materialdicke und der Haltearmbreite auch durch die Geometrieparameter der Abkantung bzw. der Stufe eingestellt. Über die gestufte Anbindung lässt sich je nach Stufencharakteristik eine höher oder niedrigere radiale Steifigkeit erzielen.
  • Durch die geeignete Wahl der konkreten Ausgestaltung der Haltearme kann die gewünschte Steifigkeit mit dem Ziel eingestellt werden, unzulässige Zwangskräfte durch Dehnungsbehinderungen zu vermeiden und gleichzeitig ausreichend hohe Eigenfrequenzen des schwingenden Gesamtsystems zuzulassen.
  • Ebenfalls von Vorteil ist es hierbei, wenn die Haltearme einen laschenartigen Befestigungsabschnitt ausbilden, mit dem der jeweilige Haltearm am Verbindungsabschnitt verbunden ist, wobei sich an den Befestigungsabschnitt ein schräger Abschnitt bzw. ein Stufenabschnitt und an diesen der jeweilige Anbindungsabschnitt anschließen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltearme über den Umfang, vorzugsweise in äquidistanten Abständen verteilt, angeordnet sind und sich nach radial außen oder (bei einer ggf. anderen Ausführungsvariante) nach radial innen erstrecken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass mehrere oder alle Anbindungsabschnitte eine gemeinsame Montageebene zur Verbindung mit einer Anbindungsfläche am zweiten Bauteil aufspannen.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn in Umfangsrichtung betrachtet, jeweils ein Anbindungsabschnitt zwischen je zwei Verbindungselementen angeordnet ist und in Umfangsrichtung insgesamt eine gleichmäßige Verteilung der Verbindungselemente gewählt wurde, so dass die Kräfte ebenfalls gleichmäßig gelenkt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbomaschine umfassend ein Turbinenzuströmgehäuse (als erstes Bauteil) und einen Berstschutz (als zweites Bauteil), wobei zwischen dem Turbinenzuströmgehäuse und dem Berstschutz eine wie zuvor beschriebene Kompensationsvorrichtung angebracht ist.
  • Weiter vorteilhaft ist es, wenn hierzu das Turbinenzuströmgehäuse mit dem zentralen Verbindungsabschnitt und der Berstschutz mit den Anbindungsabschnitten verbunden sind.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
  • Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung und
    • 2 eine Seitenansicht der Kompensationsvorrichtung gemäß 1 und
    • 3 eine Aufsicht auf einen Teil der Kompensationsvorrichtung gemäß 1.
  • Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 3 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
  • In der 1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung 1 gezeigt.
  • Die Kompensationsvorrichtung 1 ist ausgebildet, um die lediglich schematisch dargestellten zwei Bauteile 2, 3 miteinander zu verbinden, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Turbinenzuströmgehäuse 2 und einen Berstschutz 3 repräsentieren.
  • Die Kompensationsvorrichtung 1 ist zur axialen und radialen Kompensation thermisch bedingter Ausdehnungen der beiden Bauteile zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 angeordnet. Die Kompensationsvorrichtung 1 weist einen zentralen Verbindungsabschnitt 20 auf, zur mechanischen Verbindung mit dem Turbinenzuströmgehäuse 2, wobei dieser als scheibenförmiger Ringabschnitt mit zwölf Verbindungselementen in Form von Öffnungen 21 versehen ist, um diesen am Turbinenzuströmgehäuse 2 mittels Schrauben zu befestigen.
  • Ferner stehen vom scheibenförmigen Ringabschnitt 20 zwölf Haltearme 32 hervor, an dessen Ende je ein Anbindungsabschnitt 30 zur Verbindung mit dem Berstschutz 3 vorgesehen ist. Wie in den 1 und 3 gut zu erkennen, sind die Anbindungsabschnitte 30 gegenüber dem scheibenförmiger Ringabschnitt 20 in Axialrichtung A versetzt angeordnet.
  • Hierzu sind die jeweiligen Anbindungsabschnitte 30 jeweils über eine zweifach gegenläufig abgekantete Stufe 31 über den Befestigungsabschnitt 33 einteilig mit dem scheibenförmigen Ringabschnitt 20 verbunden. Die Stufe 31 bildet zwischen den beiden Abkantungen 31u einen schrägen Stufenabschnitt 31s aus.
  • In der 2 sind die Breite B sowie der radiale Abstand h zwischen dem Ende des Anbindungsabschnittes 30 und dem scheibenförmigen Ringabschnitt 20 als beispielhafte Parameter neben der Schrägung des schrägen Stufenabschnitt 31s und der Ausbildung der Abkantungen gezeigt, um die Steifigkeit der Haltearme 32 zu beeinflussen. Ergänzend können über die Auswahl des Materials und die Materialdicke die gesamte Steifigkeit und damit die Kompensationseigenschaften der Kompensationsvorrichtung 1 beeinflusst werden.
  • In der Ansicht gemäß 3 ist ferner erkennbar, dass die Anbindungsabschnitte 30 eine gemeinsame Montageebene zur Verbindung mit einer Anbindungsfläche am Berstschutz 3 aufspannen.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung jedoch nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist denkbar, dass je nach Montagesituation, z. B. die Haltearme jeweils angepasst auf die Montageanbindung am Bauteil mit unterschiedlicher Länge oder Schrägstellung ausgebildet sein können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012112432 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Kompensationsvorrichtung (1) für zwei miteinander verbundene Bauteile (2, 3), insbesondere einer Turbomaschine, wobei die Kompensationsvorrichtung (1) zur axialen und radialen Kompensation thermisch bedingter Ausdehnungen der beiden Bauteile zwischen den beiden Bauteilen (2, 3) angeordnet ist und einen zentralen Verbindungsabschnitt (20) aufweist, zur mechanischen Verbindung mit dem ersten Bauteil (2) und eine Mehrzahl an Anbindungsabschnitten (30) zur Verbindung mit dem zweiten Bauteil (3), die mit dem zentralen Verbindungsabschnitt (20) einteilig verbunden sind, wobei die Anbindungsabschnitte (30) zumindest teilweise in einer Axialrichtung (A) zu dem Verbindungsabschnitt (20) versetzt ausgebildet sind.
  2. Kompensationsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Verbindungsabschnitt (20) eine Mehrzahl an Verbindungselementen (21) aufweist, um das erste Bauteil (2) mittels Verbindungsmittel oder Schrauben zu verbinden.
  3. Kompensationsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Verbindungsabschnitt (20) als ein scheibenförmiger Ringabschnitt ausgebildet ist.
  4. Kompensationsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (21) als Öffnungen oder Löcher in dem zentrale Verbindungsabschnitt (20) ausgebildet sind.
  5. Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsabschnitte (30) jeweils am Ende von zumindest über eine Stufe (31) umgebogene oder abgekantete Haltearme (32) ausgebildet sind.
  6. Kompensationsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltearme (32) über den Umfang, vorzugsweise in äquidistanten Abständen verteilt, angeordnet sind und sich nach radial außen oder radial innen erstrecken.
  7. Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltearme (32) einen Befestigungsabschnitt (33) ausbilden, mit dem der jeweilige Haltearm (32) am Verbindungsabschnitt (20) verbunden ist, wobei sich an den Befestigungsabschnitt (33) ein schräger Stufenabschnitt (31s) und an diesen der jeweilige Anbindungsabschnitt (30) anschließen.
  8. Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Anbindungsabschnitte (30) eine gemeinsame Montageebene zur Verbindung mit einer Anbindungsfläche am zweiten Bauteil (3) aufspannen.
  9. Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung betrachtet jeweils ein Anbindungsabschnitt (30) zwischen je zwei Verbindungselementen (21) angeordnet ist.
  10. Turbomaschine umfassend ein Turbinenzuströmgehäuse (2) und einen Berstschutz (3), wobei zwischen dem Turbinenzuströmgehäuse (2) und dem Berstschutz (3) eine Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 angebracht ist.
  11. Turbomaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenzuströmgehäuse (2) mit dem zentralen Verbindungsabschnitt (20) und der Berstschutz (3) mit den Anbindungsabschnitten (30) verbunden sind.
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